Beim Entwurf von Schaltkreisen für externe oder industrielle Anwendungen ist die Qualität der Verbindungen zwischen Peripheriegeräten äußerst wichtig. Steckverbinder, die hermetisch abdichtbar sind, können Staub, Flüssigkeiten und sogar Gase fernhalten und so die Qualität der Verbindung länger aufrechterhalten. In diesem Artikel von Cinch werden die verschiedenen Optionen für hermetische Dichtungen beschrieben. Darüber hinaus erfahren Sie, wie Sie die optimale Option für Ihre Aufgabe auswählen.
Was sind hermetische Dichtungen?
Die erste hermetische Dichtung soll vom griechischen Gott Hermes geschaffen worden sein, der der griechischen Mythologie zufolge ein Verfahren zur Herstellung luftdichter Glasröhren erfand. Unabhängig von den Ursprüngen der hermetischen Versiegelung handelt es sich auch heute noch um eine wichtige Technologie, die häufig eingesetzt wird. Unter hermetischer Versiegelung versteht man den Vorgang, eine luftdichte Versiegelung zu erzeugen, die das Durchdringen von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen verhindert. Es gibt zahlreiche verschiedene Arten hermetischer Dichtungen, die je nach Anwendung die unterschiedlichsten Zwecke erfüllen können.
In der Elektronik gibt es Anwendungen, bei denen ein Gehäuse oder eine Ummantelung möglicherweise von einem anderen isoliert werden muss. Allerdings besteht in der Regel auch die Notwendigkeit, Strom und elektrische Signale zwischen den beiden zu übertragen, was normalerweise über Steckverbinder erfolgt. Die Steckverbinder können Schwachstellen für die Isolation zwischen den beiden Gehäusen darstellen, sodass Feuchtigkeit und Gase austreten können. Für viele Anwendungen ist es zwingend erforderlich, dass die Steckverbinder speziell dafür ausgelegt sind, eine hermetische Abdichtung zu gewährleisten und so Leckagen vorzubeugen.
Ein extremes Beispiel für die Notwendigkeit hermetisch abgedichteter Steckverbinder sind Öfen zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Die Steckverbinder müssen verhindern, dass kontaminierende Gase durch die Baugruppe dringen. Dadurch können die Systeme unter kontrollierten Umgebungsbedingungen betrieben werden, die für die Stapelverarbeitung erforderlich sind. Darüber hinaus müssen die Steckverbinder extremen Temperaturschwankungen, starken Vibrationen und anderen physikalischen Faktoren standhalten, die bei der industriellen Verarbeitung auftreten können. Der Ausfall einer Dichtung kann verheerende Folgen für die Charge und das System haben.
Arten hermetischer Dichtungen
Es gibt verschiedene Arten hermetischer Dichtungen. Hierzu gehören Glasdichtungen (abgestimmte Dichtungen), Kompressionsdichtungen und Epoxiddichtungen.
Abgestimmte Dichtungen sind die häufigste Art hermetischer Dichtungen und stellen wirtschaftliche und kostengünstige Dichtungen für Aufgaben mit geringer Belastung dar. Bei abgestimmten Dichtungen bietet Glas eine feste Form, die von Metall so komprimiert werden kann, dass es eine Bindung mit dem Glas eingeht. Gleichzeitig bieten es Halt für Kontakte. Diese abgestimmten Dichtungen sind nur möglich, wenn Glas und Metall ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Kompressionsdichtungen hingegen bieten eine robustere Abdichtung für anspruchsvollere Anwendungen. Diese Dichtungen weisen möglicherweise unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, funktionieren aber in Hochdruckanwendungen zuverlässig. Diese sind am teuersten und erfordern für ihre Herstellung oft individuelle Formen und Vorrichtungen.
Abbildung 1: Epoxidstabilisator Dimethyldihydroxybenzol (C8H10O2)
Und schließlich stellen Epoxiddichtungen eine hervorragende Alternative zur hermetischen Abdichtung dar. Es haftet gut an Metallen, hat eine hohe Durchschlagsfestigkeit, eine gute Wärmeleitfähigkeit und bietet eine hohe Beständigkeit gegen korrosive Materialien. Die Vorteile der Verwendung einer Epoxidversiegelung sind:
- Starke polare Anziehung – Epoxid geht eine starke Bindung mit den Oxiden der Metalloberfläche ein und verhindert so das Austreten von Gasen oder Flüssigkeiten bei niedrigem und hohem Druck.
- Hohe Durchschlagsfestigkeit – Epoxid hält hohen Spannungen stand, ohne zu zerfallen, und ermöglicht so eine höhere Signaldichte.
- Gute Wärmeleitfähigkeit – Epoxid leitet die Wärme von der Komponente weg und reduziert Überhitzung und thermischen Abbau.
- Breite chemische Beständigkeit – Epoxid ist gegenüber den meisten Chemikalien inert, weswegen es weniger korrodiert und haltbarer ist.
Prüfung und Leistung hermetischer Dichtungen
Die Leistung eines hermetisch abgedichteten Steckverbinders wird häufig anhand seiner Leckrate bewertet, die in der Einheit Kubikzentimeter pro Sekunde [cm3/sec] gemessen wird. Dies ist ein Maß für das Gasvolumen, das im Laufe der Zeit durch eine Dichtung entweicht.
Je nach Anwendung werden unterschiedliche Anforderungen an eine hermetische Abdichtung gestellt. Beispielsweise kann die hermetische Dichtung eines medizinischen Geräts eine sehr viel längere Lebensdauer und bessere Leistung aufweisen als die Dichtung einer Industrieausrüstung.
Die Leistung der Steckverbinderdichtung kann anhand der unten angegebenen Leckraten kategorisiert werden:
- Dichtungen mit niedriger Leistung = 10-4cm3/s
- Hochwertige Dichtungen = 10-8cm3/s
- Dichtungen mit sehr hoher Leistung = 10-12cm3/s
Zur Messung der Leckrate werden verschiedene Prüfmethoden verwendet. Drei davon sind im Folgenden aufgeführt:
Druckabfallmethode
Die Druckabfallmethode ist eine kostengünstige Technik zur Beurteilung von Geräten mit geringerer Leistung. Dieser Test wird durchgeführt, indem Druck im Inneren eines Produkts eingeschlossen und dann der Druckverlust gemessen wird.
Abbildung 2: Diagramm der Druckabfallmethode
Massenspektrometriemethode
Andererseits ist die Methode der Massenspektrometrie zwar kostspielig, bietet jedoch die beste Methode für genaue und leistungsstarke Tests. Bei diesem Test werden Gase, meist Helium, im Vakuum ionisiert. Es wird eine Spannung angelegt, die die Heliumionen beschleunigt und dadurch ein Magnetfeld erzeugt. Das Massenspektrometer kann den von den Ionen erzeugten Strom messen und das Leck durch seine direkte Proportionalität zur Heliumkonzentration im Vakuum ermitteln.
Abbildung 3: Methodendiagramm der Massenspektrometrie
Tracergas-Methode
Schließlich bietet die Tracergasmethode einen Kompromiss zwischen beiden. Es ist weniger kostspielig als die Massenspektrometrie, aber genauer als die Druckabfallmethode. Bei dieser Testmethode wird die Konzentration eines Tracergases (üblicherweise Helium) in einer geschlossenen Kammer gemessen.
Abbildung 4: Diagramm der Tracergasmethode
Beispielhafte Steckverbinderlösungen
Viele elektrische Steckverbinder sind mit Epoxidharz hermetisch versiegelt. Es ermöglicht eine kostengünstige und einfach herzustellende Methode zum hermetischen Abdichten von Steckverbindern. Cinch bietet eine große Auswahl hermetisch abgedichteter Steckverbinder und hat ein eigenes Epoxidharz entwickelt, das im Vergleich zu alternativen Lösungen hochleistungsfähige hermetische Abdichtungen erzeugt.
Zu den von Cinch verfügbaren Optionen gehören unter anderem die folgenden:
- Dual-Lobe-Nano-Miniatur-Steckverbinder
- Schweißbare Stabilisatorserie aus Aluminium, HF-Durchführungen
- UHV-Vakuumprodukte
- Hermetische Micro-D Dura-Con-Steckverbinder
- Micro-D-Steckverbinder mit dielektrischem Keramikmaterial
Die Micro-D-Steckverbinder und alternative hermetisch abgedichtete Optionen sind alle als handelsübliche Komponenten verfügbar. Diese sind bei gängigen Distributoren wie Mouser und Digi-Key erhältlich und in großer Stückzahl vorrätig.
Darüber hinaus sind auch kundenspezifische Lösungen möglich. Wenn handelsübliche Steckverbinder für eine bestimmte Anwendung nicht geeignet sind, kann Cinch in Zusammenarbeit mit den Kunden spezifische Steckverbinderoptionen mit hermetischen Dichtungen bereitstellen. Kundenspezifische Lösungen können als komplette Baugruppen geliefert werden und die Möglichkeiten für kundenspezifische Lösungen können bis zum Einbau eines Steckverbinders in ein Gehäuse gehen.
Hermetische Steckverbinder für robuste Anwendungen
Insgesamt sind hermetische Dichtungen in den unterschiedlichsten Formen, Designs und Größen erhältlich. Die Anwendung und die erforderliche Leistung der Dichtung bestimmen häufig die Art der verwendeten hermetischen Dichtung. Hermetische Dichtungen stellen häufig Epoxiddichtungen dar, die sehr geringe Leckraten in der Größenordnung von 10-8 cm3/s erreichen.
Abbildung 5: Hermetisch abgedichtete Mikro-D-Steckverbinder von Cinch
Für schnelle Prototyping- und Testzwecke sind viele der hermetisch abgedichteten Steckverbinder von Cinch als Standardkomponenten sofort verfügbar. Für speziellere Anwendungen können Interessenten direkt mit Cinch zusammenarbeiten, um angepasste Lösungen auch für anspruchsvollste Anwendungen zu entwickeln.